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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 7: 866 - 871

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.07.866

Orginal Article

Climatic Characteristics and the Spatio-temporal Variation of High Temperature Days in North China in 1960-2009

  • SHI Hong-bo
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  • Beijing Municipal Climate Center, Beijing 100089, China

Received date: 2011-06-22

  Request revised date: 2011-09-13

  Online published: 2012-07-20

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Abstract

Based on the daily maximum air temperature data from 90 meteorological stations in the period 1960-2009, the climatic characteristics and the spatio-temporal variation of high temperature days (HTDs) in North China were analyzed by using the statistical methods including trend analysis. The results show that the HTDs are more in the south and less in the north on conditions that 800-meters elevation contour serves the boundary. There exist two high value centers, which is located in the south of Hebei Province and the regions from southwest of Shanxi Province to Zhengzhou and Xuchang of Henan Province respectively. The most annual mean HTDs reach 25.7d, which occurs in Yuncheng of Shanxi Province. The HTDs are mainly on the decrease in the south of North China and on the increase in the north. The most obvious decrease in HTDs occurs in Kaifeng of Henan Province and the linear trend is -2.8d/10a. The most obvious increase in HTDs occurs in Hequ of Shanxi Province and the linear trend is 1.51d/10a. The HTDs in recent 50 years has a distinct decadal evolution of increasing-decreasing-increasing. The high temperature mainly occurs during May to August, especially in June and July. Compared with the HTDs in the 1960s, those in the 2000s are slightly on the increase during July and on the decrease during May and August. The accumulated high temperature process (HTP) is on the detectable decrease, while the moderate HTP is on the detectable increase. As far as the HTP lasting day number more than 5 days is concerned, the number in Beijing is less than Erenhot and the number in Zhengzhou is 3.3 times as many as that in Beijing. There exist some difference in the era and month of HTP between the south and the north .

Key words： high temperature day; spatio-temporal variation; high temperature process; North China

Cite this article

SHI Hong-bo . Climatic Characteristics and the Spatio-temporal Variation of High Temperature Days in North China in 1960-2009[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(7) : 866 -871 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.07.866

1951~2004年中国年平均地表气温增温速率接近0.25℃/10 a,比全球或半球同期平均增温速率高得多,全国大范围增暖主要发生在近20余年,从1980年代初期开始的明显增暖主要表现在冷季,但1990年代以来夏季增暖也日趋明显,而华北是中国大陆地区最明显的增温区域之一[1,2]。在此背景下,近年来华北地区极端高温事件频发,引起人们的高度关注[3,4]。与其它地区相比,华北地区高温日数对全球变暖响应的时间不同,其变化特征也有所差异 [5],这同时也反映在形成高温的天气系统的差异上[6]。张尚印等[7]分析1961~2000年华北地区北京等主要城市夏季危害性高温气候特征,探讨主要城市的高温过程,并指出东亚副热带高压和大陆变性高压的活动是造成华北地区城市夏季危害性高温的主要影响系统。
相对于华东高温特征[8]的分析,前人对华北地区高温特征变化的研究多是针对主要城市的气候统计,而对其整体性和区域性关注得还不够,同时所用的数据也不能反映近些年华北地区高温日数时空特征的变化。鉴于以上研究的不足,本文基于1960~2009年华北地区台站逐日日最高气温资料,对近50 a华北地区高温日数的时空变化特征进行了详细分析。

1 数据、高温定义及分析方法

1.1 数据

本文所用的资料为中国气象局国家气象信息中心提供的1960~2009年中国752个台站逐日日最高气温资料。本文研究区域为34~45°N、108~121°E。在对该区域数据进行处理时,将夏季（6~8月）高温数据缺测值年平均超过1 d的站点剔除,得到数据比较完整且具有代表性的1960~2009年华北地区90个台站逐日日最高气温数据（图1）。
Fig. 1 The spatial distribution of selected 90 meteorological stations and the corresponding altitude (unit: m)

图1 华北地区气象台站及海拔高度（单位：m）空间分布（图中阴影由浅到深分别表示海拔高度<200、<800、<2 200 m）

1.2 高温定义和分析方法

定义日最高气温≥35℃为1个高温日。参照文献[7]的做法,某站若连续3 d出现≥35℃高温或连续2 d出现≥35℃,且1 d≥38℃高温,定义为一次高温过程;若连续5 d出现≥35℃高温或仅连续2 d出现≥38℃高温,定义为一次中等高温过程;若连续8 d出现≥35℃高温或连续3 d≥38℃高温,定义为一次强高温过程。本文分析方法包括趋势分析[9]和滑动t检验[9]等,取1960~2009年平均为气候值。

2 结果分析

2.1 华北地区高温的空间分布

1） 高温日数。1960~2009年华北地区年平均高温日数以海拔高度800 m等值线为界呈现出南多北少的空间分布特征（图2a）。陕西南部、山西南部、河南北部、河北中南部和山东西部年平均高温日数多介于6~26 d间,华北其它地区年平均高温日数少于6 d。近50 a华北地区有8个台站年平均高温日数超过15 d,主要分布在河北南宫附近、山西运城附近以及河南郑州附近,其中年均高温日数最多的台站是运城,达25.7 d,另有3个台站未出现过高温,分别是泰山、五台山和华山,海拔高度均在1 500 m以上。
Fig. 2 The spatial distribution of annual mean high temperature days (HTDs) (a, unit: d), annual most HTDs (b, unit: d) and extreme highest temperature (c, unit: ℃) in North China in 1960-2009

图2 1960~2009年华北地区年均高温日数（a,单位d）、年最多高温日数（b,单位d）和极端最高气温（c,单位℃）空间分布

2） 极端高温。近50 a华北地区出现过高温的87个台站中,有22个台站年最多高温日数超过30 d,主要分布在华北海拔高度800 m等值线以南地区,其中有9个台站年最多高温日数超过40 d,2个台站年最多高温日数超过50 d,分别是运城（65 d）和临汾（54 d）,均出现在1997年（图2b）。就87个台站年最多高温日数出现的年份看,出现在1973年前有20个,1996年以后有67个,这可能与城市热岛效应有一定关系[10~12]。
近50 a华北地区出现过高温的87个台站中,极端最高气温超过41℃的台站有34个,主要分布在河南北部、山东、山西西南部、河北中南部、辽宁西部和内蒙古中部偏北地区;极端最高气温超过42℃的台站有21个,极端最高气温超过43℃的台站有8个,分别是扎鲁特旗、宝国吐、朝阳、承德、安阳、三门峡、郑州和商丘,其中扎鲁特旗极端最高气温高达43.7℃,出现在2007年6月10日（图2c）。

2.2 华北地区高温日数的时间变化

1) 线性趋势。1960~2009年华北地区年平均高温日数为7.1 d,年高温日数以1997年最多,达16 d,1976年最少,为2.9 d,总体上呈微弱的线性增加趋势,趋势值为0.041 d/10 a,没有通过0.05的显著性检验（图3a）。从变化趋势的空间分布看,山东、河南北部和河北南部高温日数主要呈减少的趋势,其它大部分地区主要呈增加的趋势。这可能是由于夏季西太平洋副热带高压位置偏东,为大陆副热带高压的东进和加强提供了大尺度背景[6]。1990年代末以来,西太平洋副热带高压脊线向北有所扩展[7],使大陆副热带高压影响区域向北移,导致华北北部高温日数明显增加。在出现过高温的87个台站中,有62个台站呈增加趋势,其中趋势值≥1 d/10 a的台站有9个,年高温日数增加最明显的台站为山西河曲,趋势值为1.51 d/10 a;有28个台站呈减少趋势,趋势值≥1 d/10 a的台站有10个,年高温日数减少最明显的台站为河南开封,趋势值为2.8 d/10 a。这些台站中有32个台站的变化趋势通过0.05的显著性检验（图3b）。
2） 年代际变化。近50 a华北地区高温日数显现出明显的“多-少-多”年代际变化特征（图3a）。通过利用滑动t检验方法对近50 a华北地区高温日数进行突变分析,发现华北地区高温日数分别在1972年和1996年发生明显的突变,即在1972年经历了由多到少的转变,然后在1996年经历由少到多的转变。从不同的时段看,1960~1996年华北地区高温日数呈现出1.33 d/10 a的线性减少趋势,1973~2009年华北地区高温日数呈现出1.27 d/10 a的线性增加趋势,分别达到0.001和0.01的显著性水平。具体到不同年代来看,除1960年代和2000年代高温日数相当且为正距平外,其它年代华北地区高温日数均为负距平,1980年代高温日数最少,仅5.1 d。分析显示,华北南、北部高温日数的变化有明显差异,下面将选择三个典型台站（郑州、北京和二连浩特）进行对比。位于南部的郑州仅在1960年代为正距平,其它年代均为负距平,而1980年代最少,为11.6 d;位于中部的北京,1960年代和2000年代高温日数为正距平,2000年代高温日数比1960年代偏多1 d,1970年代最少,仅为3.4 d;位于北部的二连浩特高温日数在1990年代和2000年代为正距平,其它三个年代高温日数相当,1980年代最少,为4.5 d（表1）。
3） 月尺度变化。从气候平均上看,华北地区高温天气主要集中在6和7月,均为2.8 d,共占年高温日数的79％,8和5月高温日数分别为0.9和0.5 d。由图4可以看到,1960年代华北地区各月高温日数距平均为正,2000年代华北地区5~7月高温日数距平为正,8月高温日数与气候值持平;6、7和8月高温日数均在1980年代最少,5月高温日数在1990年代最少。与1960年代相比,2000年代华北地区高温日数在5和8月有所减少,7月稍增加,6月无明显变化,其中郑州高温日数在7和8月明显减少,北京高温日数在7月稍增加,8月明显增加,二连浩特高温日数在7和8月均明显增加。
Fig. 3 The interannual variation (a,unit: d) of HTDs in No rth China in 1960-2009 and the spatial distribution (b,unit: d/10 a) of the corresponding linear trends

图3 1960~2009年华北地区高温日数年际变化（a,单位d）及其变化趋势（b,单位d/10 a）的空间分布（图a中,直线表示线性趋势,曲线表示9点平滑;b中,×表示变化趋势通过0.05的显著性检验）

Table 1 The HTDs in 1960-2009 (unit:d)

表1 1960~2009年不同年代高温日数（d）

年份（年） 1960~1969 1970~1979 1980~1989 1990~1999 2000~2009 1960~2009
华北 8.8 6.2 5.1 6.9 8.7 7.1
郑州 25.4 16.4 11.6 14.3 16.1 16.8
北京 10.5 3.4 4.8 7.3 11.5 7.5
二连浩特 4.9 4.6 4.5 6.5 9.5 6.0
Fig. 4 The decadal anomaly of monthly HTDs during May to August (unit: d) of North China, Zhengzhou, Beijing and Erenhot in 1960-2009

图4 华北、郑州、北京和二连浩特1960~2009年不同年代5~8月高温日数距平（d）

2.3 华北地区高温过程及其持续性

近50 a华北地区累计高温过程频次呈微弱的减少趋势,趋势值为-0.48次/10 a,年累计高温过程频次最多为154次,出现在1972年,最少为12次,出现在1984和1989年,其中90次以上的年份有12 a,有5 a在1973年之前,7 a在1996年之后（图5a）。中等高温过程频次呈增多趋势,趋势值为1次/10 a,2005年最多,为75次。强高温过程频次并没有明显的变化趋势,1997年频次最多,达30次。
空间分布上,华北地区高温过程频次表现为中南部多、北部和沿海少的分布特征。陕西南部、山西西南部、河南北部、河北南部和山东西部累计高温过程在50次以上,其中河北南部、山西西南部以及河南的安阳、三门峡、郑州和许昌超过100次,山西运城最多,达193次;内蒙古中东部大部分地区、山西北部、陕西北部、河北北部以及山东东部部分地区较少出现高温过程,在20次以下;京津及附近地区高温过程在20~50次之间（图5b）。
Fig. 5 The interannual variation (a) and spatial distribution (b) of accumulated high temperature process (HTP) number in North China in 1960-2009

图5 1960~2009年华北地区累计高温过程频次（单位：次）的年际变化（a）和空间分布（b）

华北地区高温过程频次也表现出明显的年代际变化。1960年代华北地区共出现812次高温过程,2000年代为783次,1970和1990年代相当,约550次,1980年代最少,为381次。与1960年代相比,2000年代郑州高温过程频次减少19次,北京增加1次,二连浩特增加7次。就中等高温过程频次而言,华北地区2000年代最多,为309次,比1960年代多34次。华北地区强高温过程频次在1960年代最多,为90次,比2000年代多13次。其中,郑州共出现10次强高温过程,有6次出现在1973年之前,4次出现在1996年之后,北京出现3次,均在1996年后,二连浩特除在1996年后出现3次强高温过程外,1981年也出现过1次。
由于持续性高温对人体健康和供水供电等有直接的影响,前人对北京夏季高温的持续性进行了分析[3]。为更好地了解华北地区南北部高温天气的持续性,下面将选择郑州、北京和二连浩特这三个台站进行比较。据统计,1960~2009年北京持续日数≥3 d的高温过程出现36次,二连浩特与北京相当,为32次,郑州高达92次,为北京的2.6倍;对于持续日数≥5 d的高温过程而言,北京有7次,二连浩特比北京多2次,郑州高达23次,为北京的3.3倍（表2）。从持续时间≥5 d的高温过程出现的年代看,郑州主要集中在1960年代至1970年代前期和1996年以后,北京主要出现在1996年之后,二连浩特则出现在1970年代后期至1980年代以及1996年之后;从其出现的月份看,郑州多出现在6、7月,但6月中旬更为集中,北京多出现在6月下旬和7月中下旬,二连浩特集中于7月中下旬,且最晚曾出现在8月19日（1991年）。近50 a北京高温最长持续天数为9 d（1999年6月24日至7月5日）,二连浩特为8 d（1981年7月15~22日）,郑州长达12 d（1961年7月18~29日）。
Table 2 The starting date of HTP with the lasting time more than 5 days in Zhengzhou, Beijing and Erenhot in 1960-2009

表2 1960~2009年郑州、北京和二连浩特持续时间≥5 d的高温过程的起始日期

高温持续时间（d） 郑 州 北 京 二连浩特
≥9 1961-7-18,1966-7-12,1972-6-9 1999-6-24 无
8 2002-5-31,2002-7-10 1997-7-8 1981-7-15
7 1971-7-13,1997-7-26,2005-6-11 1999-7-23 无
6 1968-7-23,1978-8-1,1979-6-12,1981-6-14,
1992-7-24,2006-6-15		 2002-7-11 2000-7-10,2005-7-14
5 1964-7-6,1965-6-26,1966-6-19,1967-6.-2,1967-6-14,
1967-8-6,1968-6-2,1969-7-25,2009-6-23		 1965-6-21,2000-7-22,2001-6-1 1977-7-16,1980-7-27,1987-7-25,1991-8-19,1999-7-25,2008-7-22

3 结 论

1） 近50 a华北地区高温日数以海拔高度800 m等值线为界总体呈现南多北少的分布特点,有两个高值中心,位于河北南部和山西西南部至河南郑州及许昌附近,其中山西运城年平均高温日数最多,达25.7 d,年最多高温日数达65 d。
2） 近50 a华北地区年高温日数呈微弱的线性增加趋势,其中南部高温日数主要呈减少趋势,开封高温日数减少最为明显,趋势值为-2.8 d/10 a,北部高温日数主要呈增加趋势,河曲高温日数增加最为明显,趋势值为1.51 d/10 a。华北地区南北部高温日数的这种反向变化可能与近些年夏季西太平洋副热带高压脊线的向北扩展有关。
3） 近50 a华北地区高温日数呈现出明显的“多-少-多”年代际变化特征。华北地区高温主要集中在5~8月,尤其是6和7月。与1960年代相比,2000年代高温日数在7月稍有增加,5和8月有所减少,但南北部高温日数的变化存在着区域差异。
4） 近50 a华北地区累计高温过程频次在空间分布上与高温日数类似,在时间上呈微弱的减少趋势,1972年高温过程频次最多,达154次,1984和1989年最少,仅12次,但中等高温过程频次呈微弱的增加趋势。对于持续时间≥5 d的高温过程频次,中部的北京比北部的二连浩特少,郑州是北京的3.3倍,且南北部高温过程集中的年代和月份也有所不同。
本文详细分析了近50 a华北地区高温日数和高温过程的变化,有助于认识华北高温的区域性特征,但对于华北高温过程的维持机制还没有涉及。有人指出大陆副热带高压是造成华北高温的主要天气系统[3],还有人认为中国北方地区夏季温度异常的发生在很大程度上是由西太平洋副热带高压的东西向位置异常所决定[6]。然而,西太平洋副热带高压与大陆性高压是如何相互作用形成华北高温,需要深入研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

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